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基于LCC谐振变换器的高压直流电源设计

发布时间:2020-07-21 18:01:05 阅读: 来源:岩棉板条厂家

摘要:为提高高压直流电源效率,降低其体积和重量,这里介绍了一种基于LCC谐振变换器的高压直流电源设计方法。结合移相脉宽调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)方法,实现变换器在全负载范围内的软开关。首先分析了LCC电路的工作原理,并采用基波近似法进行数学建模,在此基础上,给出不同负载时频率、占空比与电压增益的关系曲线,为设计LCC谐振变换器提供理论依据。最后通过一台峰值电压35 kV,额定功率7 kW的电源样机验证了设计的正确性,系统采用闭环控制,提高了输出电压的精度。

本文引用地址:关键词:电源;高压直流;谐振变换器;软开关

1 引言

高频高压变压器是高压直流电源设计的难点,经过分析,如何减小变压器的分布参数是高频高压电源设计的关键。此处通过引入谐振,将变压器分布参数作为谐振元件的一部分,实现开关管的软开关,减小开关损耗,提高开关频率,从而减小变换器的体积。

谐振变换器有串联、并联和串并联3种拓扑。串并联谐振变换器,又称LCC谐振变换器,结合了前两种拓扑的优点,在合理设计参数的前提下,可使电源在输入电压范围变化很大,输出空载到满载的条件下,仍然保持很高的效率。LCC谐振变换器主要有移相PWM和PFM两种控制方法。这里采用PWM和PFM结合的控制策略,在频率变化范围不大,负载电压恒定的前提下,保证变换器从空载到满载范围内均能实现软开关。通过闭环控制,提高输出电压的抗干扰能力。

2 LCC谐振变换器工作原理

2.1 LCC谐振电路工作状态分析

图1为电容型滤波LCC谐振变换器电路。Cs,Ls为LCC谐振电路串联谐振电容和谐振电感,Ls包含变压器折算到初级的等效漏感;Cp为并联谐振电容,包含变压器折算到初级的分布电容。分析前先假设:输出电容很大,Uo保持不变;所有器件都是理想器件;电感电流连续且为理想正弦波。

图2为移相PWM控制稳态时的主要波形。

(1)[t0~t1] t0时刻,电感电流iLs为零,此时VQ4为零电流开通,在前一时段VQ1已经零电压开通,VQ1,VQ4导通,uAB为正,Ls,Cs,Cp发生谐振,输出整流桥关断,uCp从-Uo/n升高,到t1时刻,uCp升高至Uo/n,输出整流桥导通,此阶段结束。

(2)[t1~t2] 谐振电流流经VQ1,VQ4,Ls,Cs发生谐振,uCp被箝位在Uo/n,电路由变压器传递能量。

(3)[t2~t3]t2时刻,VQ1关断,iLs给C1充电,C3放电,当C3电压为零时,VQ1~VQ3自然换向完成。由于C1的缓冲作用,VQ1关断时电压上升率很小,近似于零电压关断。

(4)[t3~t4] 在t3时刻,VQ1,VQ3导通,VQ3零电压开通,iLs为正,uAB为零,t4时刻,iLs即将减小至零时,VQ4零电流关断。

(5)[t4~t5] iLs流过VD2,VD3,uAB为负,t5时刻,iLs到零,半个周期结束。

t5开始,变换器开始另一半周期的工作,工作过程与上半周期对称,在此不再赘述。

通过以上分析可知,采用移相控制时,开关管不存在开通损耗。关断时,开关管电流转移到与其并联的缓冲电容上,电容限制了开关管两端的电压上升率,从而实现开关管零电压关断。每一个反并联二极管都是自然关断,不存在关断损耗。因此,相比硬PWM模式,采用LCC变换器时,开关损耗会大幅度减小,逆变器效率随之增大。

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